CIGS 太阳电池材料结构与特性
CIGS薄膜太阳能电池共22页
CIGS的材料特性
Ga/(Ga+In)比的调整可使CIGS材料的带隙范围覆盖1.0 一l.7eV，CIGS其带隙值随Ga含量x变化满足下列公式：
CuIn1-xGaxSe2能隙： Eg=1.02+0.67x-0.14x(1-x)eV
试验中选择的x既要考虑增加禁带宽度使其更适合于 AM1.5的太阳光谱，也要考虑收集效率以及光谱响应范 围。转换率较高的x范围是0.25<Ga/(Ga+In)<0.33
随着Cu／In比例的增大，薄膜的方块电阻减小
高效率CIGS吸收层特征
高吸收率的Ga分布
CIGS薄膜太阳能电池的结构金属栅电极减反射膜(MgF2) 窗口层ZnO 过渡层CdS 光吸收层CIGS
低阻AZO 高阻ZnO
金属背电极Mo 玻璃衬底
CIGS薄膜太阳能电池的结构
CIGS薄膜太阳能电池异质结能带图
CuInSe2黄铜矿晶格结构
CuInSe2复式晶 格:a=0.577,c=1.154
直接带隙半导体，其光吸收系数高 达105/cm量级
通过掺入适量的Ga以替代部分In， 形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶体
Ga的掺入会改变晶体的晶格常数， 改变了原子之间的作用力,最终实 现了材料禁带宽度的改变，在1.04 一1.7eV范围内可以根据设计调整， 以达到最高的转化效率
结构原理
孔洞:该缺陷的形成可能与挥发相Il2se的 形成有关，加快元素se在预制膜中的扩散 可以避免该相形成
细小晶粒层:该细小晶粒层的出现与Ga元 素的富集有关
Mo（直流溅射双层膜）
要求： 1.与CIGS形成良好欧姆接触 2.与CIGS的晶格失配较小且
膨胀系数与CIGS比较接近 3.较好的反光性能 4.电阻率小且与玻璃基板的附着性好
CIGS薄膜太阳能电池解读
CIGS薄膜太阳能电池的结构
金属栅电极 减反射膜(MgF2) 窗口层ZnO 过渡层CdS 光吸收层CIGS 金属背电极Mo 玻璃衬底 高阻ZnO
低阻AZO
CIGS薄膜太阳能电池的结构
结构原理
减反射膜：增加入射率 AZO： 低阻，高透，欧姆接触 i-ZnO：高阻，与CdS构成n区 CdS： 降低带隙的不连续性，缓 冲晶格不匹配问题 CIGS： 吸收区，弱p型，其空间电 荷区为主要工作区 Mo: CIS的晶格失配较小且热膨 胀系数与CIS比较接近
测试设备主要有：台阶仪，SEM，XRD, RAMAN、分度光透射仪、I-V 分析系统等
铜铟镓硒（CIGS）太阳电池制造工艺路 线
清洁—基膜—单元或多元磁控溅射—沉积—硒化—防护膜—随机检 测—印刷—切割—检测—组装—检测—包装。
CIGS薄膜太阳能电池的制备
• CIGS薄膜太阳能电池的底电极Mo和上电极n-ZnO一般采用磁控溅射的 方法,工艺路线比较成熟 • 最关键的吸收层的制备有许多不同的方法，这些沉积制备方法包括:蒸发 法、溅射后硒法、电化学沉积法、喷涂热解法和丝网印刷法
CIGS的性能不是Ga越多性能越好的，因为短路电流是随 着Ga的增加对长波的吸收减小而减小的。 当x=Ga/(Ga+In)<0.3时，随着的增加，Eg增加， Voc也增 加; x=0.3时带隙为1.2eV;当x>0.3时，随着x的增加，Eg减小， Voc也减小。 G.Hanna等也认为x=0.28时材料缺陷最少，电池性能最好。
CIGS薄膜太阳能电池介绍
二、铜铟硒（CIS）薄膜太阳能电池介绍 三、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池介绍
一、第三代太阳能电池
CIGS薄膜太阳能电池材料的制备 结构及性能研究
三、玻璃基太阳能电池薄膜材料的性能研究
2、电学性能：薄膜材料的电学性能主要包括导电性能、电荷传输性能和接触 电阻等。这些性能直接影响着太阳能电池的电流和电压输出。因此，研究薄膜材 料的电学性能及其影响因素，有助于提高太阳能电池的电学性能和稳定性。
三、玻璃基太阳能电池薄膜材料的性能研究
3、稳定性：太阳能电池在长期使用过程中会受到环境因素的影响，如光照、 温度、湿度等。因此，研究薄膜材料的稳定性及其影响因素，有助于提高太阳能 电池的使用寿命和稳定性。
三、CIGS薄膜太阳能电池材料的性能研究
1、光学性能：CIGS薄膜具有较高的光学吸收系数，这使得其能够有效地吸收 太阳光并转化为电能。在可见光波段，CIGS薄膜的吸收系数大于10^4 cm-1，而 在红外波段，吸收系数则下降至3000-4000 cm-1。
三、CIGS薄膜太阳能电池材料的性能研究
三、CIGS薄膜太阳能电池材料的性能研究
4、环境友好性：CIGS太阳能电池在生产和使用过程中产生的环境污染较小， 且材料可回收再利用。这使得其成为一种具有可持续发展潜力的能源形式。
参考内容
内容摘要
随着全球对可再生能源需求的日益增长，薄膜太阳能电池作为一种清洁、高 效、可灵活制备的能源转换技术，受到了广泛。其中，铜、铟、镓、硒（CIGS） 薄膜太阳能电池是研究最为活跃的一类。CIGS太阳能电池具有高光电转换效率、 低成本、可柔性制备等优势，被认为是下一代薄膜太阳能电池的主流技术之一。 本次演示将对CIGS薄膜太阳能电池吸收层的制备工艺进行综述。
溶液处理法制备CIGS薄膜一般包括：溶液混合、薄膜沉积和硒化处理等步骤。 在制备过程中，各元素的化学计量比、溶液浓度、沉积温度和硒化条件等因素对 薄膜的结构和性能有重要影响。因此，优化制备工艺，实现CIGS薄膜的可控制备， 对于提高CIGS太阳能电池的光电转换效率具有重要意义。
铜铟镓硫多元化合物太阳能电池
铜铟镓硫多元化合物太阳能电池
铜铟镓硫多元化合物太阳能电池，也称为CIGS太阳能电池，
是一种新型薄膜太阳能电池技术。
它采用由铜（Copper）、铟（Indium）、镓（Gallium）和硫（Sulfur）组成的多元化合物
薄膜作为光电转换层，将光能转化为电能。
CIGS太阳能电池具有以下优点：
1. 高效率：CIGS太阳能电池的转换效率较高，可达到20%以上，与传统的硅太阳能电池相比更具竞争力。
2. 灵活性：CIGS太阳能电池可以制备成柔性薄膜，适用于各
种形状和曲面的应用，具有更广泛的应用领域。
3. 薄膜制备简单：CIGS太阳能电池的薄膜制备工艺相对简单，可以通过卷帘描绘、溅射等方法制备，成本较低。
4. 光伏效应强：CIGS太阳能电池在低光照条件下的工作效率
较高，适用于多种环境条件下的应用。
然而，CIGS太阳能电池也存在一些挑战和限制：
1. 铟资源稀缺：铟是CIGS太阳能电池中的关键材料，但铟资
源非常稀缺，导致其价格较高，限制了CIGS太阳能电池的大
规模应用。
2. 氧化问题：CIGS太阳能电池在长期暴露于空气中容易氧化，降低了电池的稳定性和寿命。
3. 制造成本：尽管CIGS太阳能电池制造成本相对较低，但与
传统硅太阳能电池相比仍然较高，制约了其商业化应用的速度。
尽管存在一些挑战，CIGS太阳能电池作为一种新型的太阳能
电池技术，具有很大的潜力和应用前景，可以在建筑一体化、
充电设备、电动车等领域发挥重要作用。
随着相关技术的进一步发展和研究，相信CIGS太阳能电池在未来能够得到更广泛的应用。
CIGS薄膜太阳能电池
二、铜铟硒（CIS）薄膜太阳能电池(diànchí)介绍 三、铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池(diànchí)介绍
精品文档
一、第三代太阳能电池(diànchí) 学术界和产业界普遍认为太阳能电池(diànchí)的发展已经进入了
第三代。第一代为单晶硅太阳能电池(diànchí)，第二代为多晶硅、非晶 硅等太阳能电池(diànchí)，第三代太阳能电池(diànchí)就是铜铟镓硒 CIGS(CIS中掺入Ga)等化合物薄膜太阳能电池(diànchí)及薄膜Si系太阳能 电池(diànchí)。
铜铟镓硒薄膜太阳能电池(diànchí)是多元化合物薄膜电池 (diànchí)的重要一员，由于其优越的综合性能，已成为全球光伏领域研 究热点之一。
按
硅基太阳能电池 主要:GaAs CdS CIGS
制
备
多元化合物薄膜
材
太阳能电池
料 的
有机聚合物太阳
目前,综合性能最好 的薄膜太阳能电池
不
能电池
同
纳米晶太阳能电池
• 大规模地成本发电站
• 1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的 非晶硅电站,引起光伏产业振动。
• Mass公司(欧洲第三大太阳能系统(xìtǒng)公司)去 年从中国进口约5MWp的非晶硅太阳能电池。
• 日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部 分输往欧洲建大型发电站(约每座500KWp-1000KWp)。
• 上海尤力卡公司曾在中国甘肃省酒泉市安装(ānzhuāng) 一套6500瓦非晶硅太阳能电站，其每千瓦发电量为 1300KWh，而晶体硅太阳电池每千瓦的年发电量约为 1100-1200KWh。非晶硅太阳电池显示出其极大的使用 优势。下图为该电站的现场照片，第一代非晶硅太阳 电池的以上优点已被人们所接受。2003年以来全世界 太阳能市场需求量急剧上升，非晶硅太阳电池也出现 供不应求的局面。
CIGS 电池简介
CIGS 电池简介
铜铟硒薄膜太阳能电池是以CuInSe2（CIS）半导体薄膜为吸收层 的太阳能电池，金属镓元素部分取代铟，又称为铜铟镓硒（CIGS ）薄膜太阳能电池。
•
•
电池稳定性好，基本不衰减。
弱光特性好。
CIGS 材料特性
CIGS结构特性
CuInSe2固态相变温度分别是665和810℃,熔点为987℃。低于665℃时，CIS 以黄铜矿结构晶体存在。温度高于810℃时，呈现闪锌矿结构。温度介 于665℃和810℃时为过渡结构。
CIGS 材料特性
CIGS结构特性
CIGS 材料特性
CIGS吸收
总结
1、CIGS太阳能电池特点：
① 三元CIS薄膜的禁带宽度可以在1.04-1.67eV范围内连续调整； • • • • • • CIGS是一种直接带隙材料，可见光的吸收系数高达105cm-1，非常适合太阳 电池薄膜化，CIGS吸收层厚度只需1.5-2.5um，整个电池的厚度为3-4um； 制造成本和能量偿还时间将远低于晶体硅电池； 抗辐照能力强，用作可间电源有很强的竞争力。 转换效率高。 电池稳定性好，基本不衰减。 弱光特性好。
CIGS 电池简介
•
CIGS太阳能电池特点：
① 三元CIS薄膜的禁带宽度可以在1.04-1.67eV范围内连续调整；
CIGS是一种直接带隙材料，可见光的吸收系数高达105cm-1，非常
适合太阳电池薄膜化，CIGS吸收层厚度只需1.5-2.5um，整个电池 的厚度为3-4um； • • • 技术成熟后，制造成本和能量偿还时间将远低于晶体硅电池； 抗辐照能力强，用作可间电源有很强的竞争力。 转换效率高。2005年NREL的小面积CIGS电池效率已达19.9% 。
CIGS太阳电池电池结构
CIGS太阳电池结构
透明導電膜(TCO) 要低電阻、 高透光率，但ZnO 本身是 高電阻材料，因此外加鋁 重摻雜氧化鋅(ZnO: Al) 改 善其電性，但是會降低透 光率，因此須在此找到最 適合的摻雜濃度 。
TCO (ZnO:Al)(0.5~1.5μm) i-ZnO(0.05μm) CdS(0.05μm) CIGS (1.5~2μm)
Mo (0.5~1.5μm)
Glass / Stainless Steel / Polymer
CIGS太阳电池结构
MgF2 (0.1~0.15μm) TCO (ZnO:Al)(0.5~1.5μm) i-ZnO(0.05μm) CdS(0.05μm)
CIGS (1.5~2μm) 蒸鍍上鎳/鋁(Ni/Al)金層 當作頂層電極，接負極。
Junction Layer
External Contacts
Encapsulation
CIGS吸收层的制备
II. Metallic web using roll-to-roll deposition; individual cells are cut from the web; assembled into modules. III. Plastic web using roll-to-roll deposition; monolithic integration of cells.
面复合； 需要较高的带隙，使缓冲层吸收最少的光； 对于大规模生产来讲，缓冲层和吸收层之间的工艺匹配也非
常重要。
CIGS 电池的发展方向
叠层结构
总结
1、CIGS太阳电池有几层构成，分别是什么层？
2、某些层的功能是什么？ 3、下周课程安排
MgF2 (0.1~0.15μm) TCO (ZnO:Al)(0.5~1.5μm) i-ZnO(0.05μm) CdS(0.05μm) CIGS (1.5~2μm) Mo (0.5~1.5μm)
铜铟镓硒薄膜太阳能电池结构
铜铟镓硒薄膜太阳能电池结构1. 引言嘿，朋友们，今天咱们聊聊铜铟镓硒薄膜太阳能电池。
听起来有点拗口对吧？别担心，听我慢慢道来。
现在太阳能电池越来越普及，走在科技前沿的小伙伴们可得知道这玩意儿的背后故事。
铜铟镓硒（CIGS）可不是简单的材料，它就像是科技界的小明星，凭借着独特的魅力俘获了不少人的心。
大家伙儿，太阳能电池的未来可得靠它们了哦！2. 铜铟镓硒的秘密2.1 材料构成首先，铜铟镓硒这个名字可真是个舶来品，它的组成成分像是万花筒一样，各有各的精彩。
简单来说，CIGS由铜、铟、镓和硒四种元素组合而成。
这四个小家伙的关系可不简单，互相搭配得恰到好处。
就像朋友间的默契，CIGS的每个成分都有它的独特作用，像是在为电池的高效能助阵。
铜是主要的导电材料，铟和镓负责提升光吸收能力，而硒则是个调味剂，提升了整体性能。
这组合就像是一道精致的料理，每个食材都不可或缺。
2.2 制作工艺接下来，咱们说说制作工艺。
CIGS薄膜太阳能电池的生产过程可真是个“大工程”。
首先，得准备好基材，通常使用玻璃或塑料。
然后，经过一系列复杂的工艺，比如蒸发沉积和溅射，四种元素在高温下神奇地结合起来。
就好像是一场化学魔术表演，观众们眼睁睁看着原料变成薄膜。
经过这样的处理，薄膜厚度仅为几微米，相当于一根头发的千分之一。
想想看，咱们居然能把光电材料做得这么薄，科技的力量真让人瞠目结舌！3. CIGS电池的优势3.1 高效能说到CIGS太阳能电池的优势，简直是数不胜数。
首先，它的光电转化效率相当高，这意味着它能把阳光转化为电能的能力杠杠的。
就拿目前的技术来说，CIGS电池的效率可以达到20%左右，甚至更高，真是让人心动不已。
这和传统硅基太阳能电池相比，真是相形见绌，简直是“碾压”对手。
3.2 应用广泛此外，CIGS电池还有个特大优点，那就是它的应用范围极广。
无论是大型太阳能发电厂，还是小巧玲珑的家用电池，CIGS都能胜任。
想象一下，咱们在城市屋顶上，看到一排排闪闪发亮的太阳能板，背后支持它们的可能就是CIGS技术。
cigs薄膜太阳能电池结构
cigs薄膜太阳能电池结构
CIGS薄膜太阳能电池是一种薄膜太阳能电池，其结构由多个层次组成。
典型的CIGS薄膜太阳能电池结构包括以下几个部分：
1. 衬底，通常是玻璃或不锈钢基板，用于支撑整个电池结构并提供稳定的基础。
2. 后电极，通常是一层薄的金属层，如不锈钢或铝，用于收集电子并将其引出电池。
3. CIGS吸收层，CIGS代表铜铟镓硒，这是电池的关键部分，它是由铜、铟、镓和硒元素组成的薄膜，能够吸收太阳光并产生电子-空穴对。
4. 缓冲层，通常是由碲化镉或其他材料组成的薄膜，用于改善CIGS吸收层与前电极之间的接触，同时还能够提高电池的稳定性和效率。
5. 透明导电层，通常是氧化铟锡（ITO）或其他透明导电氧化物材料，用于收集从CIGS吸收层中产生的电子并将其引出电池。
6. 前电极，通常是一层透明导电材料，用于收集电子并将其引
出电池，同时还能够允许太阳光透过并被CIGS吸收层吸收。
这些层次的结合使得CIGS薄膜太阳能电池能够高效地转换太阳
能光子为电能。
同时，这种结构相对较薄且灵活，因此可以用于多
种应用，如建筑一体化和便携式充电设备等。
总的来说，CIGS薄膜
太阳能电池结构的设计使其成为了一种具有潜力的太阳能电池技术。
CIGS薄膜太阳能电池
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太阳能电池的工作原理
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太阳能电池的工作原理
转换效率:
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太阳能电池的工作原理
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CIGS薄膜太阳能电池的优点
材料吸收率高,吸收系数高达105量级,直接带隙,适合薄膜化,电池 厚度可做到2~3微米,降低昂贵的材料成本
弱光特性好.对光照不理想的地区犹显其优异性能.
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CIGS的晶体结构
CuInSe2黄铜矿晶格结构
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CuInSe2复式晶 格:a=0.577,c=1.154
直接带隙半导体，其光吸收系数高 达105/cm量级
通过掺入适量的Ga以替代部分In， 形成CulnSe2和CuGaSe2的固熔晶体
在坡型带隙结 构中，梯度带隙层 内存在内电场的作 用，使表面附近被 激发的少数载流子 向结方向漂移，缓 和了表面复合的影 响。
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结构原理
铝电极（电子束蒸发）
减反射膜（热蒸发法） 作用：增加入射率
14ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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结构原理
ZAO（直流溅射） 要求：低阻，高透，欧姆接触
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Ga的掺入会改变晶体的晶格常数， 改变了原子之间的作用力,最终实 现了材料禁带宽度的改变，在1.04 一1.7eV范围内可以根据设计调整， 以达到最高的转化效率
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CIGS的材料特性
Ga/(Ga+In)比的调整可使CIGS材料的带隙范围覆盖1.0 一l.7eV，CIGS其带隙值随Ga含量x变化满足下列公式：
CIS以及CIGS太阳能电池板
✓ CIGS薄膜技术：单一相，结晶品质好
✓ 吸收层与金属有良好的欧姆接触，易制造
✓ CIGS足够的厚度，且厚度小于载子扩散长度
✓ CIGS为多晶结构，故要求缺陷少，降低再结合几率
✓ CIGS表面平整性好，促进良好接面状态
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CIGS太阳电池结构—缓冲层
缓冲层：CdS（与p-CIGS形成p-n结） CdS直接能隙结构，2.4eV CdS与CIGS晶格匹配性好，随CIGS内Ga增加，匹配性变差 CdS制造：化学水域法（chemical bath deposition, CBD） ➢ 将CIGS浸入60-80化学溶液中 ➢ 溶液成分：氯化盐（CdCl2，CdSO4等）、氨水（NH3）、硫脲
（SC（NH2）2） ➢ 方程式：
C d ( N H 3 ) 4 2 S C ( N H 2 ) 2 2 O H C d S H 2 H C N 4 N H 3 2 H 2 O
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CIGS太阳电池结构—缓冲层
水溶液对CIGS表面进行腐蚀清洗去除氧化层，特别是氨水 氧化层去除，促进CdS薄膜生长 研究发现：CdS-ZnS合金薄膜，能提高能隙宽度，提升电
吸收层CIGS(化学式CuInGase)是薄膜电池的 核心材料，属于正方晶系黄铜矿结构。作为直 接带隙半导体，其光吸收系数高达105量级(几 种薄膜太阳能材料中较高的)。禁带宽度在室 温时是1.04eV，电子迁移率和空穴迁移率很 高。
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CIGS太阳电池结构 结构：玻璃基板，钼，CIGS，CdS，ZnO CIGS：晶粒大小与制造技术有关，~1微米 CIGS缺陷：位错，孪晶等
In/Ga比的调整可使CIGS材料的带隙范围覆盖 1.0一l.7eV，CIGS其带隙值随Ga含量x变化满 足下列公式其中，b值的大小为0.15一0.24eV
CIGS薄膜太阳能电池解析
现在CIGS组件处于产业化初级阶段，主要是美国、德国和日本等发达国 家公司。其工艺各具特色，主要采用的都是真空溅射技术，区别主要是制备 CIGS吸收层的部分工艺差别。下表给出了主要公司生产工艺比较。可以看出， 最主流形式是溅射金属预制层后硒化工艺。该工艺对溅射设备防腐要求低，维 护简单，生产过程更容易控制。也有采用四元化合物靶直接溅射CIGS的研究， 由于设备防腐要求高，吸收层存在缺陷，溅射后仍需要热退火处理，这种方法 现阶段没有表现出产业化优势。
CuInSe2黄铜矿晶格结构
非晶硅薄膜太阳能电池的优点
• • • • • • 低成本 能量返回期短 大面积自动化生产 高温性好 弱光响应好(充电效率高) 其他
• 低成本
• 单结晶硅太阳电池的厚度<0.5um。 • 主要原材料是生产高纯多晶硅过程中使用的硅烷，这种气体， 化学工业可大量供应，且十分便宜，制造一瓦非晶硅太阳能 电池的原材料本约RMB3.5-4（效率高于6%） • 且晶体硅太阳电池的基本厚度为240-270um，相差200多倍， 大规模生产需极大量的半导体级，仅硅片的成本就占整个太 阳电池成本的65-70%，在中国1瓦晶体硅太阳电池的硅材料 成本已上升到RMB22以上。
非晶硅太阳电池的市场
• 大规模地成本发电站
• 1996年美国APS公司在美国加州建了一个400千瓦的非晶硅电 站,引起光伏产业振动。 • Mass公司(欧洲第三大太阳能系统公司)去年从中国进口约 5MWp的非晶硅太阳能电池。 • 日本CANECA公司年产25MWp的非晶硅太阳能电池大部分输往 欧洲建大型发电站(约每座500KWp-1000KWp)。 • 德国RWESCHOOTT公司也具有30MWp年产量,全部用于建大规模 太阳能电站。
CIGS电池技术分析
CIGS电池技术分析本文主要阐述铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池的研究进展，概述了CIGS薄膜太阳能电池的薄膜构成及特性。
介绍了CIGS薄膜吸收层的制备技术，如多元共蒸发法、溅射后硒化法及缓冲层的制备技术。
1、CIGS薄膜太阳电池的结构及性能特点CIGS是一种半导体材料，是在通常所称的铜铟硒(CIS)材料中添加一定量的ⅢA族Ga元素替代相应的In元素而形成的四元化合物。
鉴于添加Ga元素后能适度调宽材料的带隙，使电池的开路电压得到提高，因此，近年来CIGS反而比CIS更受关注。
本文中描述的CIGS和CIS将具有同等意义。
单晶硅、多晶硅以及非晶硅属于元素半导体材料，尤其单晶硅，在电子、信息科学领域占据着不可撼动的地位，作为硅太阳电池，只是它诸多的重要应用之一。
与硅系太阳电池在材料性质上有所不同的是，CIGS属于化合物半导体范畴。
固体物理学的单晶硅金刚石型晶体结构和CIGS黄铜矿型晶体结构如图1所示。
图1：:晶硅金刚石结构和CIGS黄铜矿结构太阳电池的基本原理是光生伏特效应:光照下，pn结处的内建电场使产生的非平衡载流子向空间电荷区两端漂移，产生光生电势，与外路连接便产生电流单结CIGS薄膜太阳电池的基本结构由衬底、背电极层、吸收层、缓冲层、窗口层、减反层、电极层组成。
典型的CIGS薄膜太阳电池的结构为:Glass/Mo/CIGS/ZnS/i-ZnO/ZAO/MgF2，如图2所示。
图2CIGS是一种直接带隙材料，对可见光的吸收系数高达105(cm-1)，优于其他电池材料。
对比图3中的各种薄膜电池材料吸收系数的曲线，可知CIGS材料的吸收系数最高。
CIGS薄膜电池的吸收层仅需1～2mm厚，就可将阳光全部吸收利用。
因此，CIGS最适合/做薄膜太阳电池，其电池厚度薄且材料用量少，大大降低了对原材料的消耗，减轻了In等稀有元素的资源压力。
除了材料上的有点之外，CIGS薄膜太阳能电池还具有抗辐射能力强、发电稳定性好、弱光发电性好、并且转换效率是薄膜太阳能电池之首，目前室内转换效率可达20%。
《太阳能电池基础与应用》CIGS电池
电池效率表CuInSe2(CIS)：黄铜矿结构，高温时为闪锌矿结构；Cu(In,Ga)Se2(CIGS):通常最佳组分比Ga/(In+Ga)约为0.3。
CIS与CIGS结构CIS与CIGS光学性质制备方法:三步共蒸法三步共蒸法可形成Ga组分的双梯度分布；Cu、Se组分分布均匀；晶粒大，致密，呈柱状生长。
制备方法:后硒化法后硒化法易于精确控制化学计量比,对设备要求不高,产业化的首选工艺;Ga组分分布较难控制,很难形成双梯度组分分布结构；有时在表面用S代Se，形成宽带隙Cu(In,Ga)S2，以降低器件表面复合。
思考:（1）为什么需要CdS层？（2）i-ZnO层有必要吗？自反型异质结Mo背接触层；CIGS层；背光面：p型受光面：n型CdS缓冲层；ZnO窗口层(i+n)。
CIGS电池结构减反通常用MgF 2Ga/(In+Ga) 0.26 to 0.31CIGS电池效率发展趋势CIGS电池实验室效率快速增长，目前已达21.7%，超过多晶硅电池。
低成本工艺取得突破，柔性衬底CIGS电池效率高达20.4%。
CIGS电池成本变化趋势CIGS电池组件、BOS成本持续稳步下降，目前已经可以和晶硅电池竞争。
CIGS电池市场CIGS电池市场份额稳步提升，未来竞争力持续看好。
温度系数小室外工作特性较商用Si电池优异，应用前景更好！抗辐照能力强抗辐照性能远优于其它类型的太阳电池；空间应用前景好。
单片集成单片集成,相对于晶Si电池有巨大优势,有利于降低组件成本。
组件效率记录:16.5%,台湾TSMC。
能量损失机制（1）电极遮光损失；（2）反射损失；（3）ZnO窗口层吸收损失；（4）CdS缓冲层吸收损失；（5）CIGS带隙附近吸收不充分；（6）CIGS复合损失。
导带带阶(band offset)ΔE C略大于0非常有必要Ga组分双梯度提供背电场，抑制背面少子复合，减少电池点穴损失；优化光谱匹配，提高电池开压。
表面、晶界贫Cu对电池结构而言，表面贫Cu可形成自反型结构——形成pn结的前提；对材料（吸收层）而言，晶界贫Cu造成能带向下弯曲，空穴的天然势垒——抑制晶界复合；SKM及CAFM的实验证据（AM, 2015）。
铜铟镓硒太阳能电池材料的制备与性能研究
铜铟镓硒太阳能电池材料的制备与性能研究随着人们对可再生能源的需求逐渐增加，太阳能作为一种清洁、可再生的能源得到了广泛关注。
铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池因其光电转换效率高、生产成本低等优势逐渐成为研究的热点。
本文将就CIGS太阳能电池材料的制备以及相关性能研究进行探讨。
**1. 制备过程**CIGS太阳能电池的制备通常通过薄膜沉积工艺实现。
一种常见的方法是使用真空蒸发工艺，将铜、铟、镓、硒等多种材料依次蒸发到基底材料上，形成CIGS薄膜。
在薄膜形成后，进行热处理以形成结晶结构并提高其光电特性。
此外，还可以采用溶液法、喷雾法等制备CIGS薄膜，这些方法在提高生产效率和降低制备成本方面具有潜在优势。
**2. 结构与组成**CIGS薄膜通常为多层结构，包括玻璃基底、导电氧化物薄膜、CIGS吸收层、缓冲层和金属载流子层等。
其中，CIGS吸收层是整个太阳能电池的关键部分，其元素配比和结晶质量直接影响电池的性能表现。
**3. 光电性能**CIGS太阳能电池具有良好的光电转换效率，这得益于其近理想的光吸收特性和长寿命的载流子。
通过调节CIGS薄膜的晶格缺陷及优化界面特性，可以改善其光电性能。
此外，研究人员还在探索提高CIGS太阳能电池的稳定性和可靠性，以满足实际应用的需求。
**4. 可持续性发展**CIGS太阳能电池材料的制备及性能研究不仅关乎能源产业的发展，还涉及到环境保护和可持续发展。
相比于传统化石能源，太阳能电池产生的环境影响更小，而CIGS太阳能电池具有更高的能源利用效率，未来有望成为清洁能源的重要组成部分。
**5. 结语**随着能源行业的发展和技术的进步，CIGS太阳能电池材料的制备与性能研究将继续得到更深入的探索和改进。
我们对此持乐观态度，相信CIGS太阳能电池将在未来的能源领域发挥重要作用，为人类社会的可持续发展贡献力量。
CIGS薄膜太阳能电池的原理及制备
蒸发法制备.
• 减反射膜:作用是增加入射率，减少
电池表面光反射的损失,增加光透过 率。
• 窗口层:N型窗口层不仅与CdS缓冲
层一起构成了异质结的n型部分,而 且还是电池功率输出的通道。窗口 层与缓冲层之间有很好的匹配性,且 透光性好。
• 过渡层：作用是降低带隙的不连续
120W, (c,f)160W
谢谢！
太阳能电池的短路电流既 光生电流，是指在一定的 温度和辐照度条件下，光 伏发电器在端电压为零时 的输出电流。分析短路电 流最直接的方法就是对不 同波段的光所产生的光生 电子空穴对数量进行积分， 并计算出每一波段所产生 的电流，将电流求和，最 终得到的总电流就是其短 路电流。
CIGS薄膜太阳能电池层状结构
CIGS薄膜太阳能电池的原理及 制备作者： ຫໍສະໝຸດ 级： 学号：太阳能电池分类
• 晶硅电池：单晶硅电池（c-
Si）、多晶硅电池（p-Si） ； 转化率高（最高达24.7%），成 本高
• 硅基薄膜电池：成本低，非晶
硅薄膜电池（a-Si）有光致衰 退效应致使其性能不稳定,多晶 硅薄膜电池（ploy-Si）没有光 致衰退效应,转化率比晶硅低 （最高p-Si16.5%）
CIGS电池各层的制备
• 衬底：衬底一般采用玻璃,也有的采用不同材料的柔性箔
片作为材料。
• 背电极：在洁净的衬底上沉积1到1.5um的金属铝 • 吸收层：在铝电极上沉积1.6到2.0um的CIGS • 缓冲层：在吸收层上依次制备厚60一100nm的硫化锡 • 窗口层：在缓冲层上沉积100nm左右的本征氧化锌层 • 减反层和铝电极：沉积厚600nm左右的掺铝氧化锌层和银
370℃时制备的CIGS薄膜的XRD图
CIGS 电池简介
CIGS 材料特性
CIGS吸收
总结
1、CIGS太阳能电池特点：
① 三元CIS薄膜的禁带宽度可以在1.04-1.67eV范围内连续调整； • • • • • • CIGS是一种直接带隙材料，可见光的吸收系数高达105cm-1，非常适合太阳 电池薄膜化，CIGS吸收层厚度只需1.5-2.5um，整个电池的厚度为3-4um； 制造成本和能量偿还时间将远低于晶体硅电池； 抗辐照能力强，用作可间电源有很强的竞争力。 转换效率高。 电池稳定性好，基本不衰减。 弱光特性好。
CIGS 电池简介
•
CIGS太阳能电池特点：
① 三元CIS薄膜的禁带宽度可以在1.04-1.67eV范围内连续调整；
CIGS是一种直接带隙材料，可见光的吸收系数高达105cm-1，非常
适合太阳电池薄膜化，CIGS吸收层厚度只需1.5-2.5um，整个电池 的厚度为3-4um； • • • 技术成熟后，制造成本和能量偿还时间将远低于晶体硅电池； 抗辐照能力强，用作可间电源有很强的竞争力。 转换效率高。2005年NREL的小面积CIGS电池效率已达19.9% 。
CuInSe2直接带隙半导体，其光吸收系数高
达105量级，禁带宽度在室温时是1.04eV。
通过掺入适量的Ga以替代部分In，会
用力,最终实现了材料禁带宽度的改变，在
改变晶体的晶格常数，改变了原子之间的作
1.04一1.7eV范围内可以根据设计调 整，以达到最高的转化效率。
,可操作性强.
自室温至810℃保持稳定相,使制膜工艺简单
•
•
电池稳定性好，基本不衰减。
弱光特性好。
CIGS 材料特性
CIGS结构特性
CuInSe2固态相变温度分别是665和810℃,熔点为987℃。低于665℃时，CIS 以黄铜矿结构晶体存在。温度高于810℃时，呈现闪锌矿结构。温度介 于665℃和810℃时为过渡结构。
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CIGS 太陽電池材料結構與特性
1.CIGS 元件構造
CIGS 薄膜太陽電池具有層狀結構，其典型結構為：蘇打玻璃(Soda-lime glass, SLG)/Mo 薄膜電極/p 型吸收層 CIGS 薄膜/n 型緩衝層 CdS 薄膜/雙層結構的ZnO 薄膜窗口層(i-ZnO/n-ZnO)/抗反射層 MgF2/Ni-Al 電極薄膜
[1]，如圖1所示。
圖 1 CIGS 薄膜太陽電池結構示意圖[1]
2.CIGS 吸收層特性
Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2的太陽電池薄膜的化學成分較佳的比值為Cu：In：Se = 1：1：2 的
成分組成，其銅對三族(Cu/Ⅲ)最佳理想化學計量比值近於0.93[26]。
Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族的
CIGS 薄膜太陽電池為黃銅礦(Chalcopyrite)晶體結構，而黃銅礦結構由閃鋅礦結構(Sphalerite)演變而來。
閃鋅礦結構如圖2 (a)所示，是以Ⅱ族鋅和Ⅵ族硒原子組成
的。
黃銅礦結構如圖2 (b)所示，I族Cu和Ⅲ族In元素取代Ⅱ的Zn原子的位子，原
本Ⅵ族的硒(Se)則維持不變，且黃銅礦立方晶格c軸方向單位長度大約為閃鋅礦結構
的兩倍，故此結構實為兩個閃鋅礦結構所形成。
在黃銅礦結構中每個銅原子都有四個
鍵結連接到一個硒原子上，且每個銦也有四個鍵結連接到一個硒原子上，所以表示每
個Se原子有兩個鍵鍵結到Cu和兩個鍵鍵結到In。
由於黃銅礦結構中，有部分因不
同原子半徑所造成的晶格畸變，因此，此結構之晶格比例c/a 不等於2，所以導致I-
Ⅵ (Cu-Se)原子和Ⅲ-Ⅵ (InSe/Ga-Se)原子之間的鍵結強度也會不相同。
圖 2 (a)閃鋅礦結構 (b)黃銅礦結構[2]
由圖 3 所示，α–CuInSe2 為黃銅礦結構屬於四方晶系(Tetragonal crystal system)，在室溫時，當 Cu 的化學成份比介於 24 至 24.5 at %，會有 CuInSe2(α) 相存在，且當退火熱處理溫度達到 973K 時，CuInSe2 薄膜的成分組成可容許約
5mol%的變異誤差，這表示即便 CuInSe2 薄膜成份組成偏離比值 Cu:In:Se=1:1:2 的成份組成，只要在該組成區域範圍內，就能具有黃銅礦結構及其相同的物理和化學性質。
然而 CuInSe2 薄膜偏移化學組成時，處於富 Cu (Cu-rich) 的情況下，會得到混合的α 和 Cu2Se 的相。
換句話說，當薄膜處於富 In (In-rich)的情況下，會得到混合的α 和有序缺陷化合物(Ordered defect compound, ODC)相存在。
另外，在 Cu2Se–In2Se3 相圖中存在β 與γ 相分別是代表(CuIn3Se5)、(CuIn5Se8)，而β 稱為有序空位化合物(Ordered vacancy compound , OVC)。
圖 3 Cu2Se–In2Se3 二元相圖[3]
由圖 4 所示，Cu 化學計量成份在 25 at %時，CuInSe2 不會以單晶相的情況存在，且於室溫時，CuInSe2 單晶相的形成區間相當狹窄。
另一方面，由圖中可以發現，隨著退火熱處理溫度提升，CuInSe2 單晶相的形成區間也隨之變寬，直到退火熱處理溫度超過700o C(973K)時，CuInSe2 單晶相的形成區間才又急速變窄。
且 CuInSe2 單晶相的區間朝著富 In 方向寬化，Cu 化學計量成份在 22 至 24 at %的區間，就能得到 CuInSe2 單晶相。
圖 4 CuInSe2 之相類似的二元相圖是延著藉由不同的熱處理溫度分析和結構相圖分析所建立的In2Se3 和 Cu2Se 二元混合物曲線[4]
References
[1]L. M. Mansfield, I. L. Repins, S. Glynn, M. D. Carducci, D. M. Honecker, J. W. Pankow,
M. R. Young, C. DeHart, R. Sundaramoorthy, C. L. Beall, B. To, “Sodium-doped
molybdenum targets for controllable sodium incorporation in CIGS solar cells”, Photovoltaic Specialists Conference (PVSC) 37th IEEE, 2011,pp. 3636-3641.
[2]T. Markvart and L. Castaner, “Solar cells: materials and manufacture and
operation”, Oxford, Elsevier Advanced Technology, 2005.
[3] B. J. Stanbery, “Copper indium selenides and related materials for photovoltaic
devices”, Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 27, 2002, pp. 73-117.
[4]M. Burgelman and A. Niemegeers, “Calculation of CIS and CdTe module
ef fi ciencies”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 51, 1998, pp. 129-143.。